D10: Steifigkeitsvariable Implantate auf der Basis von NiTi-Formgedächtnislegierungen

Hintergrund
Außer durch biologische und pharmakologische Faktoren - wie die lokale Blutversorgung, Wachstumsfaktoren und Hormone - ist die Knochenheilung insbesondere durch mechanische Stimuli beeinflussbar. Dabei spielt die Steifigkeit des verwendeten Implantats bzw. der Osteosyntheseplatte eine entscheidende Rolle. Bei aktuell genutzten, internen Osteosyntheseplatten ist eine Steifigkeitsvariation bisher nicht möglich, so dass eine Dynamisierung von z.B. intramedullären Implantaten nur durch einen wiederholten operativen Eingriff realisiert werden kann. Die Verwendung von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen  (NiTi-FGL) eröffnet die Möglichkeit, durch eine kurze Erwärmung, die Form und damit letztendlich die mechanischen Eigenschaften des Implantats zu adaptieren. Hier wird der so genannte „Memoryeffekt“ ausgenutzt, also die Eigenschaft der Legierung, sich nach Deformation an seine „ursprüngliche Form“ zu erinnern und diese durch Erwärmung wieder einzunehmen. Durch eine Spule (induktives Prinzip) kann diese Erwärmung sehr schnell und berührungslos durchgeführt werden. Die Kombination dieser Methoden und Effekte erlaubt die nachträgliche Anpassung des Implantats, d.h. ohne einen zweiten operativen Eingriff, an den Heilungsverlauf.
Forschungsansatz
Ziel dieses Teilprojekts ist daher die Entwicklung von steifigkeitsvariablen Implantaten auf Basis von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen (NiTi-FGL). Durch eine kurzzeitige, perkutane, induktive Erwärmung wird eine Form- und daraus folgend eine Eigenschaftsänderung (z.B. Steifigkeitsänderung) des Implantats ausgelöst, um so den Prozess der Knochenheilung positiv zu beeinflussen. In einem ersten Schritt werden die Grundlagen zur Bearbeitung der NiTi-FGL erarbeitet. Dabei kommt der Laser als zentrales Werkzeug zum Einsatz. Die einzelnen Teilsegmente werden aus blechförmigen Halbzeugen geschnitten und anschließen durch einen Laserschweißprozess zum eigentlichen Implantat verbunden. Das Design wird in enger Zusammenarbeit mit Medizinern der MHH und dem Labor für Biomechanik stetig weiterentwickelt und hinsichtlich seiner Eignung getestet.  Es sollen sowohl Konzepte die eine Verringerung der Steifigkeit (z.B. zur Vermeidung des „Stress-Shieldings“) als auch zur Erhöhung der Steifigkeit (z.B. zur Vermeidung von Pseudoarthrosen) untersucht werden. Mit dem Ziel die thermische Belastung bei der Auslösung des Einwegeffekts für das Gewebe so gering wie möglich zu halten, wird die berührungslose, induktive Erwärmung der Implantatmodelle parallel untersucht.
Vision der Forschungsarbeiten ist ein adaptives Implantat, welches sich den jeweiligen Bedingungen des Heilungsprozesses anpasst. Ein Kombination aus der geschilderten aktorischen Komponente und einer Sensorik, die die Messung aktueller Daten erlaubt, könnte gezielt Komplikationen bei der Knochenheilung verringern.